基于作物水分虧缺指數(shù)的關(guān)中冬小麥需水關(guān)鍵期干旱特征分析

何 斌

（江西省贛州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000）

冬小麥?zhǔn)顷兾魇〉牡湫图Z食作物，大約占總播種面積的35%，關(guān)中地區(qū)是陜西省主要的糧食基地，2013 年關(guān)中地區(qū)冬小麥播種94.39 萬(wàn)hm2，占陜西省冬小麥總播種面積的86.22%[1]。然而，干旱災(zāi)害也逐漸成為限制該區(qū)域糧食產(chǎn)量的主要因素，2013 年關(guān)中地區(qū)農(nóng)作物因干旱受災(zāi)面積達(dá)83.2394.39 萬(wàn) hm2，占當(dāng)年總播種面積的 37.61%[1]。試驗(yàn)表明[2]，冬小麥在拔節(jié)期進(jìn)行40%的虧水處理，干物質(zhì)積累量比充分灌溉要低33.08%，主要原因是冬小麥抽穗開(kāi)花前重度缺水，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)的積累及向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程受到影響。由于冬小麥在該生長(zhǎng)階段一旦受水分脅迫，將對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生巨大影響，于是通常把返青～拔節(jié)和拔節(jié)～抽穗2 個(gè)生育期稱為冬小麥的需水關(guān)鍵期[3]。因此，開(kāi)展關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期干旱特征分析，對(duì)指導(dǎo)抗旱減災(zāi)工作，保障糧食產(chǎn)量，具有重要意義。

目前，農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)是一個(gè)常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它結(jié)合了土壤、植物、大氣等綜合因素，體現(xiàn)為農(nóng)作物某時(shí)段累積水分虧缺的程度。該指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)便，涉及資料較少，在不同地區(qū)和作物間得到了廣泛運(yùn)用。黃晚華等[4]基于作物水分虧缺指數(shù)，分析了湖南省春玉米干旱時(shí)空分布特征；李雅善等[5]選取該指標(biāo)對(duì)寧夏釀酒葡萄生育期內(nèi)干旱程度進(jìn)行了綜合分析；李闖等[6]同樣選取該指標(biāo)對(duì)昆明地區(qū)水稻生長(zhǎng)季干旱特征進(jìn)行了研究。然而，作物水分虧缺指數(shù)在陜西省冬小麥干旱特征分析中卻很少看見(jiàn)。孔尖文[7]利用冬小麥產(chǎn)量和地理信息等資料，對(duì)陜西省冬小麥氣象災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃；繆淼[8]在考慮水分敏感系數(shù)與底墑期降水的基礎(chǔ)上，構(gòu)建干旱指數(shù)對(duì)陜西省冬小麥進(jìn)行了干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及指數(shù)保險(xiǎn)費(fèi)厘定研究。然而，目前對(duì)陜西省冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法中，都不同程度存在所需資料較多，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜的問(wèn)題。

本文主要利用關(guān)中地區(qū)氣象資料，計(jì)算1994 年～2013年冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)，分析冬小麥生長(zhǎng)面臨的各種干旱威脅；并在此基礎(chǔ)上，研究不同地區(qū)不同干旱等級(jí)的空間分布狀況，以期為相關(guān)部門抗旱減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

陜西關(guān)中地區(qū)位于秦嶺以北，北山以南，由寶雞、咸陽(yáng)、西安、銅川、渭南5 個(gè)地市構(gòu)成（圖1），素有“八百里秦川”之美譽(yù)，是陜西省工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)。關(guān)中地區(qū)屬暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均降水量為647.6 mm，年蒸發(fā)量為900 mm～1200 mm，年日照時(shí)數(shù)為1900 h～2400 h，土壤類型以塿土為主，土質(zhì)疏松多孔，有機(jī)質(zhì)含量高，保水保肥性能好，是陜西省最好的一種耕作土壤。2013 年末耕地面積為151.79 萬(wàn)hm2，占全省耕地面積的52.87%，是陜西省糧食重要產(chǎn)區(qū)，主要種植小麥和玉米，兩者分別占全省的86.22%和60.18%，而干旱災(zāi)害是該地區(qū)主要的自然災(zāi)害之一。

圖1 關(guān)中地區(qū)高程與行政區(qū)劃

1.2 研究方法

作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）是衡量作物需水量與實(shí)際供水能力平衡狀況的指標(biāo)，反映農(nóng)作物某時(shí)段累積水分虧缺的程度，一般需要連續(xù)累積5 旬的水分虧缺狀況，指標(biāo)值越大，水分虧缺越嚴(yán)重。通常返青～拔節(jié)和拔節(jié)～抽穗2 個(gè)生育期是冬小麥的需水關(guān)鍵期，陜西關(guān)中冬小麥上述2 個(gè)生育期，一般在3月 ～5 月之間，本文選擇 3 月 1 日 ～4 月 19 日共 5 旬，作為冬小麥需水關(guān)鍵期來(lái)計(jì)算該時(shí)段的水分虧缺指數(shù)，所需氣象資料來(lái)源陜西省氣象局，計(jì)算公式如下：

式中：CWDI 為某 時(shí)段 累積水分虧缺指數(shù)；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為本旬和前 4 旬水分虧缺指數(shù)；a、b、c、d、e 為累積權(quán)重系數(shù)，本文采用黃晚華和張艷紅等[4,9]提供的參考系數(shù)，a 取值為 0.3，b 取值為 0.25，c 取值為 0.2，d 取值為 0.15，e 取值為 0.1。

其中第i 旬作物水分虧缺指數(shù)（CWDIi）采用下列公式計(jì)算：

式中：CWDIi為第i 旬作物水分虧缺指數(shù)；ETci是第i 旬作物需水量（mm）；Pi是第 i 旬降水量（mm）,i 取 1～5。

而作物需水量（ETc）采用如下公式計(jì)算：

式中：kc為作物系數(shù)，本文參考康紹忠教授研究的成果[10]，關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期kc取1.207；ET0為參考作物潛在蒸散量，采用FAO（聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織）推薦的ET0Calculator 軟件計(jì)算[11]。

2 結(jié)果與分析

利用陜西省氣象局提供的1994 年～2013 年氣象資料，采用(1)～(3)式計(jì)算關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 1994 年～2013 年關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指標(biāo)變化特征

從圖2 可以看出，研究期間，陜西省關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)呈波動(dòng)上升變化趨勢(shì)，表明該地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期受水分脅迫日益嚴(yán)重，氣象干旱威脅不斷加劇。將1994 年～2013 年關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)進(jìn)行線性擬合與顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)線性擬合和t 檢驗(yàn)結(jié)果

從表1 可以發(fā)現(xiàn)，研究期間，關(guān)中地區(qū)5 個(gè)地市冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)線性擬合方程的回歸系數(shù)均大于0，且西安、咸陽(yáng)、寶雞3 個(gè)地市線性回歸系數(shù)較大，表明關(guān)中地區(qū)5 個(gè)地市冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)在不斷上升，且西安、咸陽(yáng)和寶雞3 個(gè)地市上升速度較快。另外，從t 檢驗(yàn)的結(jié)果可以看出，西安、寶雞2 個(gè)地市sig 值小于等于0.05，表明在α=0.05 水準(zhǔn)下，這2 個(gè)地市冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)上升變化趨勢(shì)達(dá)到了顯著性水平。

為了分析關(guān)中地區(qū)冬小麥干旱特征空間分布情況，采用如表2 所示的冬小麥水分虧缺指數(shù)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]，計(jì)算1994 年～2013 年共20 年，關(guān)中地區(qū)5 個(gè)地市發(fā)生輕旱、中旱、重旱、特旱的頻率，結(jié)果如表3 所示；并運(yùn)用ArcGIS10.1 空間分析功能，得出關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期不同干旱等級(jí)的空間分布圖（圖3）。旱發(fā)生頻率相對(duì)較低，主要發(fā)生在寶雞、咸陽(yáng)2 市，大約4 年左右發(fā)生1 次。

表2 冬小麥水分虧缺指數(shù)干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 1994 年～2013 年關(guān)中5 個(gè)地市冬小麥拔節(jié)～孕穗期的干旱情況

圖3 關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期輕旱、中旱、重旱與特旱發(fā)生頻率分布圖

3 討論

關(guān)中地區(qū)是陜西省主要的糧食生產(chǎn)基地，對(duì)保障全省糧食安全有著重要意義。從前文分析可以看出，該地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺日益嚴(yán)重。那么，面對(duì)氣象干旱威脅不斷加劇帶來(lái)的挑戰(zhàn)，討論如何制定相應(yīng)的抗旱減災(zāi)策略措施，降低干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，就顯得尤為迫切。1994 年～2013 年關(guān)中地區(qū)降水距平百分率指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

從表3 和圖3 可以看出，關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期輕旱發(fā)生頻率較低，主要發(fā)生在西安、咸陽(yáng)、銅川3 個(gè)地市，大約6 年～7 年發(fā)生1 次；中旱在銅川、咸陽(yáng)2 市發(fā)生頻率較高，大約3 年發(fā)生1 次；而重旱在關(guān)中地區(qū)發(fā)生頻率最高，其中渭南、西安2 市發(fā)生頻率超過(guò)了50%，基本上2 年發(fā)生一次；特

圖4 1994 年～2013 年關(guān)中地區(qū)降水距平百分率指數(shù)變化特征

通過(guò)統(tǒng)計(jì)正負(fù)距平發(fā)生的次數(shù)發(fā)現(xiàn)，近20 年，關(guān)中地區(qū)負(fù)距平出現(xiàn)次數(shù)比正距平多，其中負(fù)距平發(fā)生頻率為65%，表明關(guān)中地區(qū)降水量有下降趨勢(shì)，可能加劇干旱災(zāi)害的發(fā)生，與岳大鵬等[13]對(duì)關(guān)中地區(qū)近50 年降水變化特征研究結(jié)果基本一致。因此，為保證糧食安全，相關(guān)部門應(yīng)重視田間輸水、灌溉設(shè)備設(shè)施的擴(kuò)建和改造工作，確保農(nóng)作物得到按時(shí)按需的灌溉。

4 結(jié)論

本文基于作物水分虧缺指數(shù)，分析了1994 年～2013年陜西省關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)變化趨勢(shì)，開(kāi)展了干旱特征空間分布狀況分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）研究期間，關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期水分虧缺指數(shù)呈上升趨勢(shì)，水分脅迫日益加重，其中西安、咸陽(yáng)和寶雞3 個(gè)地市上升較快。

（2）關(guān)中地區(qū)冬小麥需水關(guān)鍵期發(fā)生輕旱頻率較低，各地區(qū)至少6 年才發(fā)生1 次；發(fā)生中旱頻率較高，局部3 年就能發(fā)生1 次；而重旱發(fā)生頻率最高，渭南、西安2 市每2 年就會(huì)發(fā)生1 次；發(fā)生特旱頻率同樣也較低，大約4 年以上局部地區(qū)才可能發(fā)生。

（3）關(guān)中地區(qū)降水量有下降趨勢(shì)，可能會(huì)加劇干旱災(zāi)害的發(fā)生。建議相關(guān)部門重視田間灌溉工作，確保農(nóng)作物得到按時(shí)按需灌溉，保障糧食安全。